生物能源

时间:2022-07-03 00:10:51 能源技术 我要投稿

关于生物能源

  两千多年前,庄子用“相濡以沫”记录了两条鱼的“爱情”;但显然这是一个冲动战胜理智的行为,因此庄子又在后文补充道:“不如相忘于江湖”——双方就此分手,各自回到广阔的江湖之中,何必为了厮守而忍受这干涸之苦?

关于生物能源

  然而庄子这句话的故作轻松恰恰也说明,感情一旦建立,就难以割舍。对于有性繁殖的生物而言,正是这份坚守才完成了物种的繁衍。

  生命体消亡以后,随之而来的便是分子层面上的各种降解反应。如果正好处在缺氧的环境,生命体中的碳元素不会完全转化为二氧化碳,而是更多地以能源物质存在——如果时间足够长,就可以形成煤炭、石油还有天然气了。

  天然气的主要成分是甲烷,是最简单的一种碳氢化合物。相比于煤炭与石油而言,甲烷的形成过程并不困难,短时间内同样可以产生,甚至在很多动物的消化系统中,一些厌氧菌就会将食物转化为甲烷。

  或许是因为生命体的意识丧失还不够久远,甲烷也继承了不愿分手的遗志,当它被产生以后,并不愿抛弃共同产生的其他气体,比如氮气、氨气、二氧化碳等等,成为一种成分颇为复杂的混合气体。

  在地壳中,这种混合气体经过数百万年直至上亿年的磨练,最终还是没能跑赢沧桑变幻,甲烷气体逐渐被洗礼而净化,成了一种举足轻重的化石燃料。受此启发,人们设计开发了沼气池,将植物体转化为生物能源,但怎么让不同的气体长痛不如短痛地“分手”却成了大问题。

  在众多气体中,二氧化碳是最需要拆散的对象,一方面它的产生比例不算低,非常影响沼气的品质,另一方面,它也比较容易腐蚀管道设备。正是因为如此,强行让甲烷与二氧化碳分手,也就成为沼气加工中很重要的一道工艺。

  然而,即使是只够充满一个玩具气球的沼气,其中的分子个数也远远超过这个星球上的人类总数。所以,要想彻底分开甲烷和二氧化碳,比起让这个星球上的男人和女人分别居住到南半球与北半球,还要困难几亿倍甚至更多。

  一个一个地拆散姻缘?显然科学家们不会采用如此笨拙的办法。在这种时候,还是需要充分利用不同分子间的差异,让它们自主分开。

  有一种方法叫膜处理,利用膜的选择性将它们分开。这好比为了把全世界的男人与女人分到两个半球,就先将所有人赶到同一个半球,又在赤道的位置拉起一道闸门,只允许一个性别的人穿到另一个半球,这样如果穿过赤道只是随机过程,总有一个时刻会实现两种性别的完全分离。然而,爱情却牵挂着很多人不愿意来到这赤道边,因此完全分离也只能是存在于理想之中。

  膜处理的过程看起来简单,背后应用的科技却是非常尖端。在分子层面上,并没有管理员守在那道闸门,挨个分辨分子的种类,故而所有分子都会自由出入。为了让闸门具有选择性,材料科学家们开发出一些特殊结构的高分子膜,例如常见的聚酰亚胺,与不同气体之间的结合力有所区别,从而可以将不匹配的气体拒之门外。这就好比在上述闸门上安装了一道自动识别系统,效率也高出人力所及,可以轻松获得99%纯度的甲烷。

  有一种方法叫吸附法,利用吸附材料将其中某种成分吸附,再到合适的条件下解吸附。如果我们再来研究尝试将地球人分开的疯狂想法,这种方法好比是安置了一队超级绑架团伙,他们只绑架某一种性别,再将其放到指定半球,这样的话,等他们所有人全部绑架完之后,也就实现了这一分手计划。当然,这种办法也不是完全可靠,认错人的事情时有发生,也会比较耗费能量。

  还有一种方法叫分离剂,利用化学试剂将不同气体分开,德国、美国不少企业都有开发。这种办法就好比是在南半球开了一家以男性玩家为主要客户的赌场,或是在北半球开了一家shopping mall,专门吸引女性顾客,通过奇妙的化学反应,就可以将他们自动分开。这种方法的好处很明显,就是让分子自发行动,降低了不少成本。同样,这种方法也不可能绝对分离,不过理想的状况也能达到数百万分之一残余,的确已经算是相当干脆的分手了。

  那么,如此大费周章地将二氧化碳分离,究竟又有什么意义呢?

  我们以中国为例。

  过去,中国农村还没有普及煤气灶的时候,绝大多数农业秸秆都被收集了起来,农户将它们作为烹饪燃料。然而,现代农村的秸秆却成了一种无处可去的垃圾,厨房已不再需要这种使用麻烦的固体燃料,直接还田却因为腐烂速度太慢,让再次种植变得困难。正是在这样的两难选择下,很多秸秆在农田中便化道青烟,留下一片雾霾。统计显示,在2014年,我国一共烧掉了1.5亿吨各类秸秆,而它们排向大气中的,也是数以亿吨的废烟废气。

  将农业秸秆处理成沼气,自从上世纪70年代就已有大面积推广,但由于沼气的成分复杂,实际用途仍然有限,距离工业化还有很多路要走。如果能够通过技术手段,让生物能源中的不同成分果断分手,那么这种人造天然气必然可以拥有更广阔的使用空间,既可以送到城市里的高楼大厦,也可以给汽车提供动力,还可以避免焚烧秸秆带来的负面效应,可谓是一举多得的循环经济良方。

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